Древние белки-часы у цианобактерий раскрывают связь между вращением Земли и фотосинтетическими ритмами

Японские исследователи изучили древние системы отсчёта времени, чтобы лучше понять циркадные часы у современных цианобактерий. Они сравнили колебания белков часов KaiA, KaiB и KaiC (Kai-белков) у современных цианобактерий с функцией их предковых белков.

Исследование опубликовано в Nature Communications.

«Современные цианобактерии используют циркадные часы, чтобы предсказывать цикл смены света и темноты, вызванный вращением Земли, для эффективного протекания фотосинтетических реакций. Мы хотели узнать эволюционную историю того, когда древние бактерии приобрели циркадные часы и как это свойство было унаследовано нынешними цианобактериями», — Ацуси Мукаияма, доцент Университета префектуры Фукуи.

Цианобактерии — фотосинтезирующие бактерии, оказавшие важное влияние на океаны и атмосферу Земли. Учёные считают, что их последний общий предок появился около 3 миллиардов лет назад. Он эволюционировал в нынешнюю экосистему через событие Великого оксигенирования (около 2,3 млрд лет назад), по меньшей мере два события «Земли-снежка» (около 2,4 и 0,7 млрд лет назад) и Неопротерозойское оксигенирование (800–540 млн лет назад).

Исследователи поставили цель выяснить, обладали ли примитивные цианобактерии системой отсчёта времени, когда фотосинтез стал активным во время Великого оксигенирования.

Команда изучала циркадные часы на примере штамма Synechococcus elongatus, реконструировав осциллятор часов в пробирке с использованием белка KaiC. Они также исследовали функцию и структуру предковых Kai-белков, чтобы определить, как саморегулируемые осцилляторы на их основе эволюционировали со временем.

Ключевое открытие: более быстрые ритмические явления были закодированы в древних белках-часах.

«Древние циркадные часы цианобактерий были синхронизированы с циклом в 18–20 часов. Это означает, что история периода вращения Земли была восстановлена путём отслеживания эволюции молекул белков-часов», — Ёсихико Фуруике, доцент Института молекулярных наук.

Результаты показывают, что самый древний KaiC у предковых бактерий не обладал функцией и структурой, необходимыми для ритмичности. В ходе молекулярной эволюции предковые Kai-белки приобрели их примерно во время событий Глобального оксигенирования и «Земли-снежка». В итоге последний общий предок фотосинтезирующих цианобактерий унаследовал этот саморегулируемый циркадный осциллятор.

«Наша конечная цель — создать модифицированные цианобактерии, которые смогут адаптироваться к периоду вращения других планет и спутников, изменяя период осциллятора Kai-белков. Цианобактериям потребовалось много времени, чтобы настроить свои часы на 24 часа, но мы, возможно, сможем добиться ещё более быстрой эволюции, используя современные знания и технологии», — Сюдзи Акияма, профессор Института молекулярных наук.